TOFD焊缝检测标准和工艺

TOFD焊缝检测2007年7月12日TOFD释义•TOFD(Time-of-flight-diffractiontechnique)检测技术是在1977年，由Silk根据超声波衍射现象提出来，简称衍射时差法(TOFD)。检测时使用一对或多对宽声束探头，每对探头相对焊缝对称分布，声束覆盖检测区域，遇到缺陷时产生反射波和衍射波。探头同时接收反射波和衍射波，通过测量衍射波传播时间和利用三角方程，来确定出缺陷的尺寸和位置。TOFD检测的特点：l检验是使用一对宽声束、纵波探头，探头频率高于脉冲回波法（PE）的探头频率，探头相对于焊缝对称分布。l声束在焊缝中传播遇到缺陷时，缺陷会产生反射波，缺陷两端产生衍射波，衍射波比反射波低20～30dB。接收探头具有极高的灵敏度，接收衍射波。l以精确测量衍射波的传输时间和简单的三角方程为理论基础，使用计算机来完成缺陷尺寸和位置的测量。lTOFD检验不是依赖于测量缺陷回波高度而是以精确测量衍射波的飞行时间确定缺陷的尺寸和位置，对于自然裂纹测量精度为1mm，对于人工反射体测量精度为0.1mm（实验室条件下）。TOFD–认可•TOFD还没有被管线标准认可(仅仅有少数的标准中有关于TOFD的内容)•然而,TOFD对于判定缺陷尺寸的真实性和准确定量上十分有效。•同时，TOFD可以和脉冲反射法相互取长补短。例如，检出焊缝中部的缺陷，判断缺陷是否向表面延伸等就是它的强项。•在厚壁容器环焊缝上作为案例每次使用前需要向国家质检总局申请。衍射现象裂纹衍射波衍射波入射波折射波向各个方向传播能量低取决于入射角TOFD:典型的设置发射探头接收探头横向波上端点下端点内壁反射信号A扫信号发射探头接收探头横向波LW上端点下端点底面反射波BW直通波（LW）和底面反射波（BW）是固定存在的，无论被检焊缝中是否存在缺陷。由于直通波（LW）和底面反射波（BW）的存在，检测时如果只使用TOFD检测，在上表面和内壁表面存在盲区，一般为几毫米左右。直通波（LW）和底面反射波（BW）及每一个显示的上、下衍射波相位是相反的。相位变化横向波LW上端点下端点底面反射波BW+-+-需要不检波的A扫来显示相位的变化传播时间发射探头接收探头SSdt0t002222tcdSt缺陷深度发射探头接收探头SSdt0t0220222Sttcd缺陷自身高度发射探头接收探头2Sd112ddhd2由于计算自身高度只需要测量时间,所以高度估计会很准确。实际操作中，检测裂纹1-mm的精度是完全可以达到的(检测人工缺陷时可以达到0.1mm)。数据显示(A扫非检波和D扫灰谱图显示)D扫上表面内壁A扫LWBW缺陷位置的影响发射探头接收探头SSdt0t0x缺陷位置的不确切性发射探头接收探头SSt2t1相等时间的轨迹(t1+t2=ct)dmindmax实际上:绝对深度的最大误差低于10%.内部（小）缺陷的高度估计误差是可以忽略的。特别应注意靠近内壁的小缺陷横向扫查上表面内壁B扫直通波这种扫查会产生典型的反向抛物线当探头相对于缺陷对称时时间最短。几种典型的TOFD波形1、上表面存在裂纹时，声束无法从上表面通过，无直通波（LW）和上端点衍射波。2、内表面存在裂纹时，声束无法从内表面通过，无底面反射波（BW）和下端点衍射波。3、水平方向的平面形缺陷(层间未熔,冷夹层)上下端点衍射波合在一起。向外表面延伸的裂纹发射探头接收探头裂纹尖端底面反射波BW直通波被隔开了没有直通波向内表面延伸的裂纹发射探头接收探头直通波LW尖端信号内壁反射信号被隔开了没有底面反射波水平方向的平面形缺陷(层间未熔,冷夹层)发射探头接收探头直通波LW底面反射波BW反射回波反射信号反射回波反射信号TOFD的局限性•在外表面和内表面附近存在盲区。•解释比较困难，目前国内对缺陷定性问题没有经验，经常需要辅助其它检测手段。•夸大了一些良性的缺陷,如气孔,冷夹层,内部未熔合。•实际检测中缺陷高度方向误差较小，长度方向误差较大（6dB法测长）。•注意标准问题(有待解决)检测标准：ASMECODECASE2235简介1、相关定义1.1扫描面Scannedsurface：放置探头的表面或水浸探伤中超声波能量进入试件的表面。1.2远面Farsurface：与扫描面相对的表面。1.3缺陷深度Flawdepth：缺陷上端面距扫描面的距离。1.4缺陷高度Flawheight：投影到一个厚度平面上的缺陷的上、下端点之间的距离，用H表示。在评定时，对于表面缺陷，H等于“a”；对于内部缺陷，H等于“2a”。1.5缺陷上端点Upperflawextremity：缺陷离扫描面最近的端点或顶点。1.6缺陷下端点Lowerflawextremity：缺陷离扫描面最远的端点或顶点。1.7爬波Creepwave：在平面或凹面上，TOFD两探头之间的波。1.8B扫查B-scan：一对探头在横穿焊缝或缺陷的方向上进行配置，探头运动方向与焊缝方向垂直的扫查；显示时，坐标原点为焊缝的中点，横坐标表示与焊缝中线的距离，纵坐标表示深度。A、B、D显示示意图。1.9D扫查D-scan：在扫查时，一对探头在横穿焊缝或缺陷的方向上进行配置，探头运动方向与焊缝方向平行的扫查；显示时，坐标原点为扫查的起始点，横坐标表示焊缝的深度，纵坐标表示焊缝的长度。2、适用范围：压力容器焊缝厚度大于等于12.7mm时可以使用超声波检测替代射线检测。3、检测区域的划定：对于母材厚度大于204mm的焊缝，检测区域应覆盖全部焊缝体积，并加上焊缝两侧各51mm的范围；当母材厚度等于或小于204mm时，超声波检测区域应覆盖全部焊缝体积，再加上焊缝两侧各25.4mm或t中较小值的范围。如果满足以下条件，检测区域可以减小到包括实际热影响区（HAZ）再加上焊缝两侧热影响区以外6.4mm的部分：（1）在焊接工艺评定中，焊缝热影响区经过测量并有文件记录，并且（2）UT探头的定位和扫查装置按标记（焊缝附近的油漆或低应力印记）得到控制，以确保实际热影响区再加上1/4英寸（6.4mm）的材料范围得到检测。4TOFD工艺规程要求•ASME第Ⅴ卷第四章《焊缝超声检测方法》规定了20项变量.其中15个主变量:受检焊缝形状、外径、壁厚、产品形式（管、板等），探测面，探测方法（直射波、斜射波、接触法或液濅法），超声波形和声束角度，探头型式、频率和晶片尺寸、形状，特殊探头、碶块、忖垫或鞍座（使用时），超声仪，校验（校准试块和校准方法），扫查方向和扫查范围，扫查方式（手工或自动），几何形状信号与缺陷信号识别方法，信号大小测定方法，计算机数据采集（使用时），扫查覆盖性（仅指减少时）和人员操作要求。TOFD工艺规程要求•另5个副变量：人员资格鉴定要求，表面状态（探测面，校准试块）藕合剂类型或牌号，自动报警或记录设备（使用时）和记录，包括要记录的必要校验数据（如仪器设定）。•新增6个特定性主变量：仪器型号和制造者，仪器软件，扫查方向和扫查范围，缺陷测长方法，缺陷测高方法和数据采集间隔。•对规定的主变量的变更，要求进行验证演示，以评定新参数有效性；副变量则不用。5TOFD设备系统要求•TOFD仪器要求•提供线性A扫描显示，仪器放大线性和水平线性误差不大于±5%。超声脉冲发生器可通过单向或双向方波脉冲提供激励电压。脉冲宽度应可调，以使脉冲幅度和持续时间达到最优化。超声接受器的带宽应与探头标称频率带宽相匹配。接受器增益旋钮应能以≤1dB的增量调节。系统中可设前置放大器。波形模数变换取样频率至少应为探头标称频率4倍。要对原始数据进行数字信号处理时，波形的模数变换取样频率应提高到探头标称频率的8倍。TOFD设备系统要求•数据显示和记录•数据显示要求观测不检波的A扫描图形，以便确定与A扫描时基记录有关的显示闸门的始点和长度。所用设备应能将所有进入显示闸门的A扫描图形储存到磁盘或光盘上。设备还要能提供至少64级灰度等级或彩色色谱的被检焊缝的断面图。但不允许只存断面图，而不存A扫描射频（不检波）波形。显示用的计算机软件应包括将光标或波形时基线性化的算法，以便测评缺陷埋藏深度和自身高度。除储存包括波幅和时基细节的波形数据外，还要能储存指示相邻波形相对位置（即编码位置）的定位数据。TOFD设备系统要求•探头要求•⑴使用一对探头（称为TOFD探头对），相对放置，一发一收。•⑵TOFD探头对的标称频率相同。•⑶TOFD探头对晶片相同。•⑷对峰值回波降20dB测试时，探头脉冲持续时间应不大于2周期。•⑸探头可用非聚焦或聚焦探头（前者推荐用于探伤，后者推荐用于提高定量分辨率）。•⑹探头可用单晶片，也可用相控阵。•⑺标称频率应为2-15MHZ，除非检测的产品材料具有特殊晶粒结构，才可用其他频率。TOFD设备系统要求•探头角度的选择和布置•表1为不同壁厚范围可达到足够分辨率和评定范围的探头参数推荐值。对壁后≤70mm的钢焊缝，一般要求用一对纵波斜探头横跨在焊缝两侧。对70＜T≤300mm的钢焊缝，应进行分层检测。•TOFD检测最佳探头对间距：•2S=2×1.73dm,dm为缺陷高度中点离检测表面的距离(深度),声束夹角为1200；当小于850或大于1650就可能引起缺陷端部衍射波减弱。表1不同壁厚时TOFD探头参数推荐值•壁厚范围壁厚T中心频率晶片尺寸标称探头角度•mmmmMHZmm/0•T≤70＜1010～152～650～70•10～＜305～102～650～60•30～702～56～1245～60•70＜T70～＜85～102～650～70•≤30080～＜1002～56～1245～60•100～3001～310～2545～60TOFD设备系统要求•校验试块要求•ASME法规2004版采用槽形试块作验证演示,2006增补版在强制性附录中规定采用长度方向与探测面相平行的长横孔,作为调整TOFD系统在厚度范围内检测灵敏度的校准反射体。孔长至少50mm，孔径随检测厚度而异。钻孔位置居于枝块侧面中心板厚T的四分之一和四分之三处。受检焊缝厚度较大时，校准试块也要分层。•校准试块厚度Tc，被检测件厚度T≤100mm时，Tc=10%T；T＞100mm时，Tc=T+10mmTOFT设备系统要求•扫查机构•扫查机构应保证两探头间距固定不变，并保证扫查轴线在检测区段始终一致。探头移动可用机动或手动方式，探头支架应配置与A扫描取样同步的编码器。6TOFD校准事项•灵敏度校准方法•将探头对置于试块或受检测件表面上，调节增益旋钮，使直通波波幅为满屏高40—90%，而噪声低于5-10%，作基准灵敏度。分区检测直通波不出现时，只需根据噪声水平来调节。•灵敏度的验证•使试块中长横孔位于两探头连线的中分面上，孔的最弱信号至少应为满屏高的80%。•厚度分层检测•重复以上操作。还应检出相邻层区中距离最近的长横孔。•覆盖宽度的验证•若对校准试块中要求检出的长横孔不能全部检出，就要增加两次偏心附加检查。•编码器的校准•按制造商推荐方法进行，误差±1%。7、前期检测在斜波束检测前，要进行最初的直波束检测，以便发现被检区域中可能干涉斜波束检测的反射体，检测可以：1）手动检查，或2）是焊接前对母材的检查，或3）在自动超声检测中进行。8、对超声TOFD检测数据采集的要求超声检测应当采用自动的计算机数据采集装置。数据应是未经过修饰的。在数据记录中保存的数据应是未经闸门和取阈值处理的完整数据。9、数据分析和评定9.1数据分析准则：大于下文的反射体都应被区分究竟是由缺陷产生的或是由于几何结构产生的。当反射体确被认为是缺陷时，按本标准进行评定和验收。9.1.1在以波幅为基准的技术（PE）中，应对所产生的反应超过基准波高20%的反射体的位置、波幅和范围作进一步检查。9.1.2在非波幅基准技术（TOFD）中，图象的显示长度超过下文（1）、（2）所列极限者，则其位置和范围应作进一步检查：（1）对母材厚度小于等于102mm的焊缝，图象显示长度大于0.20英寸（5mm）者应进一步检查；（2）对母材厚度大于102mm的焊缝，图象显示长度大于0.05t或19mm（取二者中之小值）者应进一